L'architecture des réseaux et les protocoles de communications

Qu'est-ce que la notion de réseau Internet et de transmission de l'information ? Réponses avec Charles, enseignant en spécialité Numérique et sciences informatiques.

Le plan du cours 

1. Un peu d’histoire
2. Quelques éléments physiques d’un réseau
3. Première situation : communication dans un réseau local
4. Deuxième situation : communication entre réseaux locaux (Internet)

Un peu d’histoire

Autrefois, les réseaux de communication étaient séparés avec des technologies distinctes. Le réseau informatique était séparé du réseau téléphonique et du réseau de la télévision. Aujourd’hui, tous ces réseaux convergent. La transmission se fait par un découpage en petits paquets de données arbitraires, indépendants des uns et des autres.

Dans le schéma, les périphériques terminaux sont :

• Des serveurs (ordinateur qui offre des services)
• Des ordinateurs
• Des imprimantes
• Des téléphones
• Des voitures.

Ensuite, il y a les périphériques intermédiaires :

• Les concentrateurs (switchs)
• Les routeurs
• Les boxs

Pour relier ces périphériques, on a plusieurs types de connexion :

• Filaires (câble droit, croisé…)
• Sansfil (Wifi, Bluetooth…)
• Optique (fibre monomode, multimode…)

Première situation : communication dans un réseau local

Protocole TCP (Transmission Control Protocol) : ensemble de règles et de conventions qui permet à deux entités de communiquer ensemble.

Lorsqu’on est sur l’ordinateur, on utilise plusieurs logiciels en même temps : un navigateur pour surfer sur le web et un logiciel pour échanger des fichiers. Pour chacune des opérations, on se connecte à une machine qui offre plusieurs services : serveur web, serveur de messagerie, serveur FTP, etc.

Aller sur le Web ⇔ Serveur web, serveur Messagerie

Échanger de fichiers ⇔ Serveur FTP, serveur Messagerie.

Qui reçoit les données envoyées ? Il y a la notion de « Port » qui entre en jeu. C’est un identifiant (un nombre) qui est rattaché au logiciel. Exemple : quand on envoie les données, on demande en plus, de connecter la machine sur le Port 80 pour le serveur web. La machine répond et envoie les données.

Quel logiciel reçoit les données de l’autre côté ? Là aussi, le Port joue un rôle. Quand on envoie les données, on indique en plus un numéro de Port. Le serveur répond à la demande en envoyant sur le bon port et donc sur le bon logiciel.

► Schéma :

Aller sur le Web / Port 1342 ⇔ Serveur web / Port 80

                                                 ⇔ Serveur Messagerie / Port 25

Un segment

À droite, on a le message, ce sont les données. Ensuite, on rajoute des métadonnées : c’est l’en-tête TCP qui est constituée du Port source /Port de destination, du numéro du message et du « Flag » (pour envoyer l’accusé de réception).

Adresse IP

Quand on souhaite envoyer des données à une machine, on fait intervenir l’adresse IP (Internet Protocol) ou adresse logique ou adresse de la machine. Il souvent associée à un « Masque ». Une adresse IP est constituée de quatre nombres entiers. Leur valeur varie de 0 à 255, séparée par un point. De même pour le Masque. On a choisi les valeurs de 0 à 255 car on peut coder un entier de 255 sur un 1 octet.

Adresse réseau

Quand on calcule les versions en binaire (0 et 1) de l’adresse IP et du masque, on obtient une adresse réseau. Quand on a la même adresse réseau entre l’adresse IP source et l’adresse IP de destination, cela signifie que les deux machines sont dans le même sous-réseau. Elles peuvent communiquer directement.

Carte réseau et adresse Mac

Chaque élément (ordinateur, serveur, routeur…) possède un élément physique, une carte réseau. Cette carte réseau permet avec un câble de relier les machines au switch. Chaque carte réseau possède une adresse Mac (Media Access Control) ou une adresse physique. Cette adresse est souvent écrite en exadecimal (Exemple : 5E : FF : 56 : A2 :AF : 15). Elle est constituée de 6 octets séparés par deux points.

Table ARP

Comment trouver, à partir de l’adresse IP, l’adresse Mac de la machine ? Le switch est un boîtier électronique. Lorsqu’on branche un ordinateur à un switch, beaucoup de communications se font entre le serveur, le routeur, etc. Ils communiquent en utilisant le protocole ARP (Adress Resolution Protocol), ce qui permet au switch de construire la Table ARP. Cette Table associe l’adresse IP à l’adresse Mac. L’ordinateur connaît donc l’adresse Mac de l’ordinateur auquel il doit envoyer les données.  

► Bilan 

On prend l’exemple d’un transfert de fichier. Un ordinateur est l’expéditeur (1), il envoie à un ordinateur destinataire (2). Voici ce qui se passe :

Étape 1 -Couche application : au départ, on a les données. Pour envoyer son fichier, l’ordinateur 1 utilise le protocole FTP.

Étape 2  -Couche transport : ensuite, ces données sont encapsulées avec un en-tête supplémentaire : l’en-tête TCP.

Étape 3 -Couche internet : puis, ce segment est encapsulé en utilisant le protocole IP. On ajoute un en-tête IP.

Étape 4 -Couche réseau : ce paquet est ensuite encapsulé avec un en-tête ethernet. On utilise ici le protocole ethernet (avec la carte réseau et les câbles). À ce moment-là, les données sont transmises à l’ordinateur 2. Celui-ci décapsule la trame pour obtenir le paquet, le segment, la couche application, et enfin les données.

Deuxième situation : communication entre réseaux locaux (Internet)

On a un ordinateur avec son adresse IP source. Il souhaite communiquer avec un autre ordinateur dont il connaît l’adresse IP de destination. En analysant l’adresse IP, on sait que ces deux ordinateurs ne sont pas dans le même sous-réseau.

Qu’est-ce que se passe ?

L’ordinateur 1 envoie les données à une « passerelle », c’est-à-dire le routeur numéro 1, connecté au switch.

La fonction du routeur :

Le routeur a quatre adresses IP. Cela signifie qu’il est en contact avec plusieurs sous-réseaux et avec deux autres routeurs. Donc, le routeur est un équipement réseau informatique qui assure le routage des paquets.

Les étapes :

1. Le routeur 1 reçoit une trame et la décapsule pour regarder l’adresse IP de destination. Il essaie de voir le chemin à prendre. Il choisit le sous-réseau qui correspond à l’adresse IP.
2. Le routeur possède une Table de routage. C’est comme un rond-point qui indique la destination. Suivant l’adresse de destination, la Table de routage indique le routeur à choisir.
3. Quand le routeur est choisi, le routeur 1 encapsule le paquet IP et rajoute un en-tête qu’il modifie. Il y met l’adresse Mac source et l’adresse Mac de destination du routeur 2.
4. La trame arrive au routeur 2. Celui-ci a une adresse IP pour être dans son sous-réseau. Le routeur décapsule la trame pour lire l’en-tête IP et connaître l’adresse IP de destination.
5. Là, on retrouve la situation numéro 1. Grâce au switch et à sa table ARP, le routeur encapsule et met à jour l’en-tête ethernet.
6. La trame arrive ensuite au destinataire, l’ordinateur. L’ordinateur décapsule pour avoir le paquet IP, puis le segment, et enfin les données.

► Bilan 

Client ⇔ Serveur

Exemple : le chargement d’une page web.

I) Client :

Étape 1 – Couche application : le client fait une requête http pour se connecter à un serveur web

Étape 2 - Couche transport : protocole TCP

Étape 3 - Couche internet : protocole IP

Étape 4 - Couche réseau : protocole ethernet

II) Routeur 1 :

Étape 1 : grâce à un câble, on s’est connecté à un routeur. Le routeur a décapsulé et a lu le paquet IP.

Étape 2 : grâce à sa Table de routage, il sait qu’il doit aller vers le routeur 2.

Étape 3 : pour cela, il encapsule en mettant à jour l’en-tête ethernet.

III) Routeur 2 :

Étape 1 : la trame passe au routeur 2. Le routeur le décapsule pour lire l’en-tête IP. Grâce à cela, il sait qu’il doit envoyer à un serveur de son sous-réseau.

Étape 2 : il encapsule avec le protocole ethernet.

Étape 3 : il se connecte au serveur

IV) Serveur

Il décapsule en suivant le protocole http, TCP, IP et ethernet, pour avoir les données.

Les autres protocoles

Dans la couche application, il existe d’autres protocoles que le http :

• le protocole DHCP
• le protocole DNS
• le protocole FTP
• le protocole HTTPS (web sécurisé)
• le protocole IMAP, le protocole POP, le protocole SMTP (pour la messagerie).

Dans la couche Transport, il existe :

• DHCP → le protocole TCP qu’on a vu
• DNS → le protocole UDP : il a moins de contraintes que le TCP. On ne lui demande pas un accusé de réception. Résultat : les échanges vont plus vites. Il est surtout utilisé dans le streaming ou dans les jeux.

Dans la couche Internet, il existe :

• DHCP → le protocole IPv4 (IP version 4)
• DNS → IPv6 (IP version 6) car il y a de plus en plus de besoin d’adresses IP en raison du nombre grandissant de machines connectées au réseau.

Dans la couche Réseau, il existe :

• le protocole Ethernet qu’on a vu.
• le protocole Wifi
• le protocole Bluetooth, etc.